一款基于ARM的多自由度人形教育機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：針對以往教育機器人自由度少、控制不靈活、教育功能弱的缺點，使用高集成度ARM芯片設(shè)計了一個簡潔的17自由度人形機器人控制系統(tǒng)。規(guī)劃了機器人的軟硬件結(jié)構(gòu)，設(shè)計了控制電路和驅(qū)動系統(tǒng)，采用1個定時器產(chǎn)生17路PWM驅(qū)動信號。重點以實例講解了波形產(chǎn)生及驅(qū)動函數(shù)的編寫方法和技巧。設(shè)計的機器人能夠完成整套體操運動。這種方法在多自由度機器人操控和教學(xué)中具有廣泛的借鑒意義。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/267 427.htm

關(guān)鍵詞：ARM；多自由度；人形教育機器人；舵機

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2015.1.008

基金項目：河南省科技攻關(guān)計劃項目（142102310226）席東河（1980-），男，碩士，實訓(xùn)中心主任、講師，研究方向：電子技術(shù)及自動化、嵌入式系統(tǒng)與應(yīng)用方向。申一歌（1982 -），女，碩士，講師，研究方向：電氣自動化方向。杜娟（1984-），女，工程師，研究方向：計算機應(yīng)用方向。高吉珍（1964-），女，高級工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

人形機器人控制系統(tǒng)包括機器人控制器和機器人遙控器兩部分。其中控制器以飛利浦公司的ARM7處理器為核心，包含17個舵機控制驅(qū)動電路與接口、串口通信調(diào)試電路、遙控接口、電源等。通過串口下載和傳輸控制信息。機器人遙控器使用無線模塊向機器人控制器發(fā)送指令，控制機器人完成規(guī)定動作。

2 硬件設(shè)計

人形機器人控制器主板由控制核心LPC2114、電源及檢測電路、外部晶振、JTAG調(diào)試接口、串口模塊、遙控模塊、舵機接口、LED指示燈等組成，組成框圖如圖l所示。

LPC2114基于一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有128 k字節(jié)的高速Flash存儲器，非常小的LQFP64封裝、極低的功耗、2個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出、46個GPIO以及多達(dá)9個外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和電子收款機（POS）等。

較高的功能集成度和強大的端口驅(qū)動能力使得機器人控制器主板電路的核心部分非常簡潔，基本上實現(xiàn)了單芯片的設(shè)計，如圖2所示為LPC2114控制器電路和4個舵機的驅(qū)動接口電路，其余13個舵機驅(qū)類同。

考慮到教育機器人的運動平衡控制，將PCB電路板按圖3（a）所示位置布局。該布局除了處理器最小系統(tǒng)、以及必要的指示和控制電路外、最重要的就是17個舵機驅(qū)動接口，這里使用彎角3排針連接，保證鏈接的緊湊和可靠。17個舵機接口分為5組，與下載接口按照左右各9個布局，其中人形機器人的頭包含1個舵機接口，負(fù)責(zé)左右運動，左胳膊包含3個舵機接口，分控肩、肘、腕3個運動自由度，左腿包含4個舵機接口，分控胯的左右/上下、膝蓋及腳腕4個自由度。右胳膊與右腿的分控接口和功能與機器人控制器左半部分對稱。

最后將控制器與7.2V電芯并列裝配到鋁合金外殼中，作為機器人的軀體，同時作為運動平衡的重心，良好的布局對機器人的運動至關(guān)重要。

考慮到人形機器人的自重和動作力度，設(shè)計采用FUTABA系列產(chǎn)品中的S3050大力矩車用、船用競賽型金屬齒輪數(shù)字舵機，如圖3（b）所示。該舵機自重48.8克，尺寸小，在6V電壓下工作，能夠達(dá)到0 .16秒/60度的轉(zhuǎn)速，力矩大小為6.5千克/厘米。

17個舵機按照前述的分組和人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)對稱排列布局，頭部1個舵機，左右胳膊各3個舵機，分別做為肩、肘、腕關(guān)節(jié)，左右腿各5個舵機，分別為髖關(guān)節(jié)的左右運動1個、前后運動1個、膝關(guān)節(jié)1個、踝關(guān)節(jié)前后運動1個、左右運動1個，其中2個肩關(guān)節(jié)舵機和2個髖關(guān)節(jié)的左右運動的舵機，上下左右對稱緊湊安裝，作為身體的一部分，所有其他舵機使用鋁合金支撐固定成緊湊的人形結(jié)構(gòu)。

3軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包含軟件架構(gòu)設(shè)計、程序流程設(shè)計和驅(qū)動控制函數(shù)的設(shè)計。

3.1軟件架構(gòu)

該人形機器人控制系統(tǒng)原理是：當(dāng)機器人控制器接收到遙控器發(fā)出的指令后，ARM處理器根據(jù)指令要求，將要執(zhí)行的動作參數(shù)分解成一系列寬度不等的PWM信號，并通過驅(qū)動電路輸出到舵機接口，外部舵機根據(jù)占空比不同的PWM信號轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，多個舵機不同的轉(zhuǎn)動角度構(gòu)成了不同的機器人瞬時動作，多個動作連貫執(zhí)行就完成與外部命令相應(yīng)的響應(yīng)動作。軟件架構(gòu)如圖4所示。本文主要對關(guān)鍵驅(qū)動函數(shù)進(jìn)行說明。

3.2 舵機驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動脈沖與舵機轉(zhuǎn)動角度如表1所示，不同的高電平時間對應(yīng)著舵機不同的輸出位置。因此可以使用LPC2114內(nèi)部定時器模擬出17路以20ms為周期、高電平寬度與位置時序?qū)?yīng)的PWM波形，來分別驅(qū)動控制17個舵機轉(zhuǎn)動的角度，配合完成機器人的相關(guān)動作。

單個舵機的驅(qū)動函數(shù)（以機器人頭部舵機為例）定義：

多個舵機的驅(qū)動需要依據(jù)機器人的姿態(tài)數(shù)據(jù)計算出轉(zhuǎn)動時間，將其時間數(shù)據(jù)按一定算法進(jìn)行排序，并在CPU的控制下設(shè)置備舵機的運動和停止時間。

3.3 機器人舵機整體驅(qū)動函數(shù)ManMoveFrame（）設(shè)計

函數(shù)功能：將輸入的各伺服器角度轉(zhuǎn)換為各伺服器的高電平時間，按照17個伺服器高電平時間從短到長依次凋用對應(yīng)伺服器驅(qū)動。共18個入口參數(shù)，17個是伺服器角度，1個是動畫停留時間，轉(zhuǎn)換關(guān)系：1度約為0.00814mS。

函數(shù)定義：

3.4 機器人姿態(tài)數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動函數(shù)ManMoveKeyframeData（）設(shè)計

機器人動作的關(guān)鍵姿態(tài)是由各舵機轉(zhuǎn)動位置決定的，需要參照機器人的體態(tài)對17個舵機的自由度關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，驅(qū)動函數(shù)將如表2所示設(shè)置的參數(shù)轉(zhuǎn)換為驅(qū)動信號，控制17個舵機的轉(zhuǎn)動，從而完成機器人行走的動作。表格空白的地方默認(rèn)數(shù)據(jù)為O。

函數(shù)功能：初始化各伺服器角度/時間數(shù)組，將機器人每姿態(tài)動作的各舵機角度數(shù)據(jù)輸入給各伺服器數(shù)組。共19個入口參數(shù)：1個關(guān)鍵幀號、17個伺服器角度、1個動畫停留時間。

函數(shù)定義：

3.5 機器人動作控制驅(qū)動函數(shù)

ManMoveKeyframeToFrame（）設(shè)計

主要功能：把動作幅度較大的姿態(tài)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)結(jié)合其下面緊挨的姿態(tài)關(guān)鍵幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時間均勻的普通幀驅(qū)動參數(shù)，供整體驅(qū)動使用。入口參數(shù)：無。出口參數(shù)：無。

函數(shù)定義：

3.6機器人程序流程

機器人根據(jù)接收到的遙控命令自行判斷并完成動作，工作流程如圖5所示。因為人形機器人使用電池，工作比較耗電，所以在運動前要先檢測工作電壓，如果達(dá)到工作要求就接著工作，否則不執(zhí)行動作并報警，工作電壓不滿足要求會造成機器人因動力不足而摔倒，接收到結(jié)束命令就停止運行，不再響應(yīng)外部所發(fā)來的遙控命令，如果完成一個動作就恢復(fù)到立正站立狀態(tài)。

需要指出的是，在機器人運動時，程序?qū)ζ渫獠康乃欧骺刂埔M(jìn)行分時分批控制，以減輕處理器功耗壓力，達(dá)到可靠驅(qū)動的目的。

4 結(jié)論

按照機器人的運動體態(tài)完成運動數(shù)據(jù)的設(shè)計，經(jīng)過測試，該控制系統(tǒng)可以完成包括前滾翻、后滾翻、俯臥撐在內(nèi)的多種體操運動。課題組計劃進(jìn)一步封裝函數(shù)，并設(shè)計可視化圖形編程界面，以便可以在電腦上更加直觀地生成運動數(shù)據(jù)，積木化編程，降低操作難度。